千種 佳樹 千種 佳樹 2006 年 4 月 静岡大学 博士論文

静 岡 大 学 博 士 論 文

石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 光 伝 送 損 失 及 び 画 像 直 接 伝 送 性 能 の 高 性 能 化 と そ の 適 用 に 関 す る 研 究

2006 年 4 月

千 種 佳 樹

目 次

第1章 序 論………..1

1.1 はじめに………..1

1.2 石英ガラス光ファイバの特徴とその適用分野………..3

1.2.1 通信用光ファイバ………...3

1.2.2 画像直接伝送用光ファイバ………...3

1.2.3 機能性光ファイバ………...4

1.3 石英ガラス光ファイバの問題点と本研究の目的………7

1.4 本論文の構成……….9

参考文献………11

第2章 石英ガラス光ファイバの極限的光低伝送損失の実現と 耐環境性に関する検討………...13

2.1 はじめに………13

2.2 石英ガラス光ファイバの光伝送損失低減の歴史………14

2.3 極低損失純粋石英コア単一モード光ファイバ(PSCF)の設計と特性………..16

2.3.1 極低損失PSCFの構造設計………..16

2.3.2 極低損失ファイバの光伝送損失特性………...18

2.4 汎用単一モード光ファイバとPSCFの無中継光伝送可能距離の模擬計算比較……24

2.5 光伝送損失への信頼性に関する検討………..26

2.5.1 放射線施設光システムにおけるPSCFの信頼性評価に関する検討………26

2.5.2 光増幅用ファイバの耐H2・γ線特性と長期寿命推定法の確立………..34

2.6 まとめ………..40

参考文献………42

第3章 純粋石英コア単一モード光ファイバの光低伝送損失領域の 広帯域化に関する検討………...45

3.1 はじめに………45

3.2 広帯域低伝送損失規格（ITU－T G.652.D）準拠PSCFの作成とその特性……...48

3.3 耐H2特性への影響に関する検討………..52

3.3.1 室温条件下における耐H2特性の優位性検証………...52

3.3.2 高温条件下における耐H2特性の優位性検証………...54

3.4 広波長帯域無中継通信の検討……….56

3.5 まとめ………60

参考文献………61 第4章 高耐曲げ性光ファイバの開発と

4.1 はじめに………. .63

4.2 耐曲げ特性に対する光ファイバ構造最適設計の検討………64

4.3 G.652.D規格準拠純粋石英コア光ファイバの曲げ径と光伝送損失特性………65

4.4 光ケーブル外径の細径化に関する検討………67

4.4.1 細径化に対する最適構造の設計……….67

4.4.2 細径光ケーブルの作成とケーブル化前後の損失変化の検討……….70

4.4.3 PSCFを用いた光細径ケーブルの温度サイクル試験……….74

4.5 まとめ………75

参考文献………76

第５章 高画質画像直接伝用石英ガラス光ファイバの開発と その適用に関する検討………...78

5.1 はじめに………...78

5.2 超高解像度（２５万画素）画像光ファイバの開発………..79

5.3 画像光ファイバのMTF画質評価法の開発と ２５万画素画像光ファイバの評価………83

5.4 ２５万画素画像光ファイバの石油精製工場へのシステム適用に関する検討……..92

5.5 まとめ………..94

参考文献………95

第６章 高耐放射線性画像直接伝送用石英ガラス光ファイバの開発と 光ブリーチング効果による寿命延長に関する検討………...97

6.1 はじめに………..97

6.2 高耐放射線画像光ファイバの開発とγ線照射特性に関する検討………..98

6.3 石英ガラス画像光ファイバの光ブリーチング効果による寿命延長法の検討……108

6.4 まとめ……….119

参考文献………..120

第7章 結 論………..122

謝 辞………..125

著者の石英ガラス光ファイバとその適用に関する論文……….127

著者の石英ガラス光ファイバとその適用に関する特許一覧……….130

論文中の略語一覧……….132

第 １ 章 序 論

1.1 は じ め に

光 フ ァ イ バ は 低 損 失 、 広 帯 域 、 無 誘 導 、 軽 量 と い う 従 来 の 伝 送 媒 体 に は な い 優 れ た 特 性 を 有 し 、大 容 量 通 信 、デ ー タ リ ン ク 、エ ネ ル ギ ー 伝 送 、画 像 直 接 伝 送 や 、 光 波 制 御 応 用 に よ り 多 岐 に 亘 る セ ン サ ー に 応 用 さ れ て お り 、 発 展 の 著 し い 光 エ レ ク ト ロ ニ ク ス の 今 後 の 進 歩 に は 光 フ ァ イ バ 技 術 の さ ら な る 発 展 と 導 入 の 拡 大 が 必 須 で あ る と 考 え ら れ て い る 。光 は 直 進 す る と い う 優 れ た 物 理 的 性 質 を 持 っ て い て 、 広 く 用 い ら れ て い る が 、 逆 に 、 こ れ が 光 シ ス テ ム の 耐 振 動 性 や 小 型 化 に 障 害 に な っ て い る 。 こ れ に 対 し て 、 光 フ ァ イ バ を 用 い る と 、 ど の よ う な 光 路 の 曲 が り も 許 容 さ れ 、 光 シ ス テ ム の 設 計 が 容 易 に な る 。 こ の よ う な 理 由 で 、 光 フ ァ イ バ は 光 エ レ ク ト ロ ニ ク ス の 中 で 様 々 な 使 わ れ 方 を し て い る 。

今 日 の 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 大 普 及 に 至 る ま で に 、壮 大 な 開 発 の 歴 史 が あ る 。 そ の 一 部 を 述 べ る と 、 光 フ ァ イ バ 通 信 の 実 用 化 に 向 け て の 画 期 的 提 唱 は １ ９ ６ ６ 年 に Kao ら の 研 究 成 果 に よ り 初 め て 報 告 さ れ た ¹⁾。そ れ は 石 英 ガ ラ ス 中 の 不 純 物 を 除 去 す る こ と に よ り 、 低 損 失 な 光 通 信 用 伝 送 媒 体 が 得 ら れ る 可 能 性 が あ る こ と を 示 し た 「 光 通 信 」 と い う 大 き な 夢 の 実 現 に 向 け た 画 期 的 な 提 唱 で あ り 、 世 界 の 注 目 を 浴 び た 。 こ の 可 能 性 の 提 唱 を 受 け て 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 低 損 失 化 に 向 け た 研 究 の 幕 開 け と な り 、 １ ９ ７ ０ 年 に は Corning Glass Work 社 の Kapron ら に よ っ て Chemical Vapor Deposition (CVD)法 に よ っ て 20dB/km の 低 伝 送 損 失 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 試 作 に 成 功 し ²⁾、こ の こ と で Kao ら の 提 言 し た 可 能 性 が 実 証 さ れ 、 以 降 、 実 用 化 に 向 け た 開 発 に 火 が つ い た 。 石 英 ガ ラ ス 以 外 に も 、 さ ら な る 低 損 失 性 の 可 能 性 や 、 広 帯 域 光 増 幅 の 可 能 性 ³⁾、 が 示 唆 さ れ て い る 弗 化 物 ガ

に は 至 っ て い な い 。 ま た 、 現 在 実 用 化 さ れ て い る 光 フ ァ イ バ に は 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ 以 外 に プ ラ ス チ ッ ク 光 フ ァ イ バ も あ る 。 プ ラ ス チ ッ ク 光 フ ァ イ バ は 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ と 比 較 し て 伝 送 損 失 面 、 温 度 に よ る 性 能 変 化 面 な ど の 性 能 面 で 大 き く 劣 る た め 光 通 信 用 途 に は 不 向 き と さ れ て い る 。 し か し な が ら 弾 力 性 な ど の 性 能 面 で 優 れ る た め 伝 送 損 失 の 影 響 の 少 な い 極 短 尺 応 用 で あ る 、 導 波 路 形 態 の 部 品 や 、 光 装 飾 用 途 な ど に 応 用 分 野 が 拡 が っ て お り 、 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 得 意 と す る 適 用 分 野 と の 住 み 分 け が 整 理 さ れ て い る ⁴⁾.

石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ は 、 現 時 点 に お い て 、 イ ン タ ー ネ ッ ト の 普 及 と 容 量 の 拡 大 要 求 か ら 、FTTx(Fiber To The Home, Fiber To The Premise, Fiber To The Desk, 他 ) が 注 目 を 浴 び 出 し た 。 ま た 伝 送 容 量 の 拡 大 に は 波 長 多 重

（Wavelength-Division-Multiplexing（WDM））シ ス テ ム の 開 発 と 発 展 に 伴 い 、高 密 度 WDM（Dense WDM: DWDM） の よ う な 大 容 量 伝 送 が 可 能 と な り 、 海 底 、 陸 上 幹 線 の よ う な 長 距 離 大 容 量 シ ス テ ム へ の 実 用 化 が 活 発 化 す る 一 方 、最 近 で は 特 に メ ト ロ ネ ッ ト ワ ー ク や 市 街 通 信 な ど に お い て 、 中 、 短 距 離 シ ス テ ム に は 、 低 密 度 WDM（Coarse WDM: CWDM） シ ス テ ム が 5Gb/s 以 上 の ビ ッ ト レ ー ト で 単 純 な Add-Drop 多 重 シ ス テ ム の 低 コ ス ト 策 を 提 供 す る と し て 注 目 を 集 め て い る 。さ ら に 、 耐 環 境 性 が 要 求 さ れ 、 特 に 求 め ら れ る 放 射 線 施 設 や 海 底 光 ケ ー ブ ル シ ス テ ム な ど に 適 用 さ れ て い る が 、 伝 送 容 量 の 拡 大 と 環 境 安 定 性 と の 両 立 が 必 要 で あ り 、 高 ま る 要 求 に 対 す る 開 発 技 術 の 要 求 も ま す ま す 高 ま っ て い る 。

一 方 、 通 信 用 途 の み な ら ず 、 そ の 低 損 失 ・ 耐 環 境 性 の 優 れ た 特 性 面 か ら 、 耐 環 境 性 、 防 爆 環 境 で は TV カ メ ラ な ど 電 気 素 子 の 導 入 が 不 可 能 で あ る た め 、 そ の 場 合 の 画 像 直 接 伝 送 路 と し て 「 画 像 光 フ ァ イ バ 」 名 で 石 英 ガ ラ ス マ ル チ コ ア 光 フ ァ イ バ が 親 し ま れ て い る 。 こ れ ら 画 像 光 フ ァ イ バ も 同 様 に 、 様 々 な 新 た な 要 求 が 寄 せ ら れ 、 適 用 へ の 期 待 の 高 ま り は 大 き く 、 こ こ に も 実 用 化 に 様 々 な 開 発 技 術 が 求 め ら れ 、 そ の 要 求 も ま す ま す 高 く な っ て 来 て い る 。

以 上 の よ う に 、 光 フ ァ イ バ は 成 熟 期 に 入 っ た が 、 実 際 、 あ ら ゆ る 分 野 の 期 待 に 応 え た 適 用 範 囲 の 拡 大 の た め に は 、 ま だ ま だ 残 さ れ た 開 発 課 題 が 多 い の が 現 状 で あ る 。

1.2 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 特 徴 と そ の 適 用 分 野

石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ に お い て 前 節 で も 述 べ た よ う に 様 々 な 用 途 が あ る が 、

（ １ ） 通 信 用 光 フ ァ イ バ 、（ ２ ） 画 像 直 接 伝 送 用 光 フ ァ イ バ 、（ ３ ） 機 能 性 光 フ ァ イ バ 、（ ４ ）そ の 他 に 分 類 で き る が 、本 論 文 に お い て 重 要 な 分 野（ １ ）～（ ３ ）に つ い て そ の 特 徴 と 適 用 分 野 に つ い て 述 べ る 。

1.2.1 通 信 用 光 フ ァ イ バ

コ ア は 、 屈 折 率 が ク ラ ッ ド に 比 べ 相 対 的 に 大 き く 、 伝 播 す る 光 エ ネ ル ギ ー の 大 部 分 が 集 中 し 、 光 の 全 反 射 で 光 を 閉 じ 込 め る た め 伝 播 エ ネ ル ギ ー の 極 一 部 が ク ラ ッ ド に 染 み 出 す 。 こ の た め 、 適 切 な 厚 さ の ク ラ ッ ド が 必 要 で あ る 。 こ の ク ラ ッ ド 構 造 を 採 用 す る こ と に よ り コ ア 表 面 で の 散 乱 が 抑 制 さ れ 、低 損 失 化 が 可 能 と な る 。 図 1.1 に 示 す よ う に 、コ ア の 屈 折 率(n)の 分 布 形 状 か ら ス テ ッ プ 型 や グ レ ー デ ッ ド 型 、 ま た 光 の 伝 播 形 態 （ モ ー ド ） か ら マ ル チ モ ー ド 型 と 単 一 モ ー ド 型 に 分 類 さ れ る 。 屈 折 率 分 布 は 、 光 信 号 パ ル ス の 歪 、 従 っ て 伝 送 帯 域 に 関 与 す る 。 パ ル ス 歪 を 抑 制 で き る グ レ ー デ ッ ド 型 や 単 一 モ ー ド 型 で は 帯 域 が 大 幅 に 広 が る ⁵⁾。

通 信 用 に 、 グ レ ー デ ッ ド 型 マ ル チ モ ー ド 及 び 、 単 一 モ ー ド 型 光 フ ァ イ バ が 実 用 に な っ て い る 。前 者 は コ ア 径 50μ ｍ 、比 屈 折 率 差 1％ 、後 者 は コ ア 径 5～10μ ｍ 、 比 屈 折 率 差 0.2～0.8％ で あ り 、 外 径 は い ず れ も 125μ ｍ で あ る 。

1.2.2 画 像 直 接 伝 送 用 光 フ ァ イ バ

個 々 の フ ァ イ バ が 両 端 面 に お い て 正 し く 対 応 す る よ う に 密 着 配 列 し た 光 フ ァ イ バ を 画 像 光 フ ァ イ バ と 呼 ぶ 。 両 端 面 に お い て 個 々 の 光 フ ァ イ バ の 配 列 が 対 応 付 け ら れ て い な い フ ァ イ バ は バ ン ド ル フ ァ イ バ と 呼 ば れ 、 画 像 光 フ ァ イ バ と は 区 別 さ れ る 。 バ ン ド ル フ ァ イ バ が 光 パ ワ ー 伝 送 を 目 的 と し た フ ァ イ バ で あ る の に 対 し 、

的 な 形 態 を 示 す 。 近 年 工 業 分 野 等 へ 適 用 す る こ と を 目 的 と し て 開 発 さ れ た 石 英 ガ ラ ス 画 像 光 フ ァ イ バ に お い て 、 通 常 マ ル チ コ ア 型 が 主 で あ る 。 マ ル チ コ ア 型 石 英 ガ ラ ス 画 像 光 フ ァ イ バ は 全 長 に 亘 り 画 素 が 溶 融 一 体 化 さ れ て お り 、 そ の 製 造 に お い て 機 械 的 強 度 に 優 れ た 通 信 用 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 技 術 が 用 い ら れ て い る 。 マ ル チ コ ア 型 画 像 フ ァ イ バ の 長 所 と し て 、（ １ ） 製 法 上 長 尺 品 （100ｍ 以 上 ） の 製 造 が 可 能 な こ と 、（ ２ ）広 い 波 長 域 に 亘 り 光 伝 送 損 失 が 小 さ い こ と 、（ ３ ）耐 熱 性 、 耐 放 射 線 性 に 優 れ て い る こ と 、 が 挙 げ ら れ る 。 他 方 、 バ ン ド ル 型 多 成 分 ガ ラ ス 画 像 光 フ ァ イ バ に 比 較 し 、 一 般 的 に 可 撓 性 に お い て 劣 る と い う 欠 点 が あ る 。

1.2.3 機 能 性 光 フ ァ イ バ

光 信 号 を 伝 送 す る だ け で な く 、 そ の 光 信 号 を 用 い て 制 御 ・ 加 工 す る 機 能 を 持 た せ た 光 フ ァ イ バ が 機 能 性 光 フ ァ イ バ で あ る 。 実 用 化 さ れ て い る 代 表 的 な も の に 、

（ １ ）光 増 幅 用 Er 添 加 光 フ ァ イ バ（EDF）、（ ２ ）分 散 補 償 光 フ ァ イ バ(DCF)、（ ３ ） 高 非 線 形 光 フ ァ イ バ 、（ ４ ） 偏 波 保 持 光 フ ァ イ バ な ど が あ る 。

光 増 幅 用 Er 添 加 光 フ ァ イ バ と は 、光 を 電 気 に 変 換 せ ず に 直 接 増 幅 す る（ 弱 っ た 光 を 強 め る )機 能 を 持 つ 、 コ ア 部 分 に 希 土 類 元 素 で あ る Er を 添 加 し た 光 フ ァ イ バ で あ る 。 図 1.2 に 増 幅 原 理 を 示 す 。 0.98μ ｍ ま た は 1.48μ m の 励 起 光 を 照 射 す る と 1.55μ m 近 傍 の 光 を 増 幅 で き る 。

次 に 分 散 補 償 光 フ ァ イ バ （ Dispersion Compensation Fiber: DCF） に つ い て 説 明 す る 。 光 フ ァ イ バ に 入 射 し た 光 パ ル ス は 、 光 源 の ス ペ ク ト ル が あ る 程 度 の 波 長 広 が り を 持 っ て い る た め に 、 光 フ ァ イ バ の 屈 折 率 分 布 、 光 フ ァ イ バ 材 料 の 屈 折 率 分 散 に よ っ て 波 形 歪 を 受 け 、 受 信 端 で の パ ル ス 波 形 は 広 が っ て し ま う 。 こ の 波 形 広 が り に よ っ て 隣 り 合 う 信 号 が 重 な り 、 伝 送 さ れ る 信 号 に 誤 り が 発 生 す る 。 こ の よ う な 光 パ ル ス に 波 形 歪 （ 広 が り ） が 生 じ る 現 象 を 分 散 と 呼 ぶ 。 そ し て こ の 伝 送 信 号 光 パ ル ス に 生 じ た 波 形 歪 を 補 償 す る よ う に 、 信 号 伝 送 用 光 フ ァ イ バ と 逆 の 分 散 を 持 た せ る よ う に 設 計 し た 光 フ ァ イ バ を 信 号 伝 送 路 に 接 続 す る こ と で 分 散 を 補 償 す る よ う に し た 光 フ ァ イ バ を 分 散 補 償 光 フ ァ イ バ と い う ^{7 ）}。

ま た 、 高 非 線 形 光 フ ァ イ バ と は 石 英 ガ ラ ス の 非 線 形 光 学 効 果 を 応 用 す べ く そ の

非 線 形 性 を 高 め る た め に 、コ ア 径 を 汎 用 通 信 用 光 フ ァ イ バ 対 比 30％ 程 度 の 小 径 と し 、汎 用 通 信 用 光 フ ァ イ バ の コ ア と ク ラ ッ ド の 屈 折 率 差 対 比 、10 倍 に 近 い 高 屈 折 率 差 に 設 計 さ れ た 光 フ ァ イ バ の こ と を 言 い 、 光 波 長 変 換 や ス ー パ ー コ ン テ ィ ニ ウ ム 光 発 生 な ど に 応 用 さ れ る ^{8 )}。

さ ら に 偏 波 保 持 光 フ ァ イ バ は 、 光 の 強 弱 情 報 の 他 に 偏 波 面 の 情 報 を も 安 定 に 長 尺 伝 送 可 能 と す る よ う に 設 計 さ れ た 光 フ ァ イ バ で あ り 、 光 干 渉 や 偏 波 を 利 用 し た 計 測 ^{9 )}、 コ ヒ ー レ ン ト 通 信 ^{1 0 )}、 偏 波 多 重 通 信 ^{1 1 )}な ど へ の 応 用 が 期 待 さ れ て い る 。

cladding

Refractive Index profile

core

Core diameter

*Δn(%)

Pulse distortion Band width

（ μm） (MHz・km)

Lig h t tra ns mi ss io n

*Δn(%): Relative refractive index difference between core and cladding n 1 :Core refractive index, n 2:Cladding refractive index

Δn=(n 1－n 2)/ n 1 ×100 (%)

(a) Step index multi mode type, (b) Graded index multi mode type (c) Single mode type

Fig. 1.1 Types of optical fiber

Table 1.1 Types of image fiber

Energ y [ cm

]

Fig.1.2 Principle of EDF Excitation state

Base state

Pump wavelength 0.98μm

1.48μm

Signal 1.55μm

Stimulated emission

Amplified signal

Excitation state

Base state Energ y [ cm

]

Pump wavelength 0.98μm

1.48μ

Signal 1.55μm

Stimulated emission

Amplified signal

m

1.3 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 問 題 点 と 本 研 究 の 目 的

1966 年 に Kao ら ¹⁾に よ っ て 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 実 用 化 の 可 能 性 が 示 唆 さ れ て 以 降 、1970 年 代 に 実 用 化 開 発 の 波 が 押 し 寄 せ 、そ し て 1980 年 代 に 実 用 化 さ れ て 以 降 、 石 英 ガ ラ ス の 特 徴 を 引 き 出 し て 、1.2 節 で 説 明 し た ① 通 信 用 光 フ ァ イ バ 、 ② 画 像 直 接 伝 送 用 光 フ ァ イ バ 、 ③ 機 能 性 光 フ ァ イ バ 、 と い っ た 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の ３ 大 適 用 領 域 が 形 成 さ れ る に 至 っ た 。 そ し て 、 一 度 実 用 化 し て し ま え ば 、 そ の 利 便 性 は 忘 れ 去 ら れ る こ と は 無 く 、 次 か ら 次 へ と 出 さ れ る さ ま ざ ま な 要 求 に 合 わ せ て 性 能 の 向 上 が 期 待 さ れ る よ う に な り 、 高 度 な 適 用 分 野 へ の 期 待 は 絶 え る こ と は 無 い 。

と り わ け 、 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ は そ の 石 英 ガ ラ ス の も つ 「 低 損 失 光 伝 送 性 」、

「 高 耐 環 境 性 」 と い う ２ 大 性 能 を さ ま ざ ま な 工 夫 と 改 善 を 凝 ら す こ と で 、 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 種 々 へ の 分 野 適 用 が 可 能 と な っ て き た 。

し か し な が ら 、 こ れ ら ２ 大 利 点 的 性 能 も 、 そ れ ぞ れ 以 下 の よ う な 適 用 要 求 に 対 す る 高 ま る 期 待 と 、 解 決 す べ き 技 術 的 問 題 点 が あ っ た 。

１ ）長 距 離・大 容 量 光 通 信 の 世 界 に お い て は 、Er 添 加 フ ァ イ バ 光 増 幅 器（EDFA）

や Raman 増 幅 器 の よ う な 光 増 幅 技 術 ¹²⁾が 発 展 を 遂 げ た 段 階 に 入 っ て も な お 、 ビ ッ ト レ ー ト を 増 加 さ せ な が ら 伝 送 距 離 を 伸 ば そ う と す る た め に は 、 光 フ ァ イ バ の 伝 送 損 失 は 常 に シ ス テ ム 構 成 上 の 制 限 条 件 と な る た め 、 さ ら な る 伝 送 損 失 の 低 減 化 が 望 ま れ て お り 、 高 ま る 期 待 は 留 ま る こ と は な い 。

２ ） 一 般 的 に ガ ラ ス は 不 純 物 が 混 入 す る と 耐 環 境 性 が 劣 る 。 特 に 放 射 線 な ど の 存 在 環 境 に お け る 光 伝 送 損 失 の 低 下 は 著 し く 、 多 成 分 ガ ラ ス や 、 耐 環 境 性 に 優 れ る と さ れ る 石 英 ガ ラ ス に お い て も Ge な ど 添 加 剤 に よ る 放 射 線 誘 起 光 伝 送

バ が 注 目 を 浴 び て い る 。 こ う い っ た 環 境 に は デ ー タ 通 信 用 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ 、監 視・制 御 シ ス テ ム 画 像 直 接 伝 送 用 光 フ ァ イ バ な ど が 使 用 さ れ て お り 、 さ ら な る 耐 放 射 線 性 能 の 向 上 が 望 ま れ て い る 。 加 え て 、 こ れ ら 環 境 で のγ線 1R/h^(注)以 下 と い っ た 低 照 射 線 量 率 に お け る ２ ５ 年 と い っ た 長 期 に わ た る シ ス テ ム 寿 命 を 推 定 し 保 証 す る 術 は 現 在 存 在 せ ず 、 こ れ ら 技 術 ・ 評 価 手 法 の 開 発 が 必 要 と な っ て い る 。

（ 注 ）R： 放 射 線 の 「 照 射 線 量 」 の 単 位 名 で 「 レ ン ト ゲ ン 」 と 呼 ぶ 。 空 気 1kg 中 に 2.58×10^-4 ク ー ロ ン の イ オ ン を 作 るγ線 あ る い は X 線 の 量 。 1C/kg=3876R。

1R/h は 1 時 間 あ た り に 1R の 線 量 を 照 射 す る 照 射 線 量 率 。

３） 波 長 多 重（ Wavelength-Division-Multiplexing（ WDM））シ ス テ ム の 開 発 と 発 展 に 伴 い 、最 近 で は 特 に メ ト ロ ネ ッ ト ワ ー ク や 市 街 通 信 な ど の 中 、短 距 離 シ ス テ ム に 、低 密 度 WDM（ Coarse WDM：CWDM）シ ス テ ム が 低 コ ス ト 方 策 を 提 供 す る と 注 目 を 集 め て い る 。近 年 、ITU-T 規 格 で 分 類 さ れ る 低 OH 吸 収 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ の 出 現 に よ り 、1360nm－ 1460nm 波 長 帯（ E-band）を も メ ト ロ エ リ ア ネ ッ ト ワ ー ク CWDM 伝 送 に 加 え る こ と が 可 能 と な っ た 。 し か し こ の 光 フ ァ イ バ に 期 待 さ れ る 伝 送 波 長 帯 E-band に お け る 伝 送 損 失 は H₂と の 化 学 反 応 に 特 に 敏 感 で あ り 1 8 - 2 0 )、し か も こ れ ま で に 開 発 さ れ た 光 フ ァ イ バ は 耐 H₂性 に 劣 る コ ア に Ge を 添 加 し た 形 態 の み で あ っ た 。 そ こ で 、 波 長 多 重 に 必 要 な 広 帯 域 低 損 失 と 耐 H₂性 に 優 れ た 低 OH 吸 収 純 粋 石 英 コ ア 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ の 開 発 へ の 期 待 の 高 ま り は 大 き い 。

４ ）近 年 の イ ン タ ー ネ ッ ト の 容 量 拡 大 の 要 求 に 伴 い 、光 フ ァ イ バ に よ る 信 号 伝 送 方 式 が 拡 大 基 調 に あ る 。し た が っ て 、光 フ ァ イ バ の 耐 曲 げ 損 失 性 が FTTx (Fiber To The Home, Fiber To The Premise, Fiber To The Desk, 他)の よ う な ア ク セ ス ネ ッ ト ワ ー ク や 屋 内 応 用 設 計 に と っ て 非 常 に 重 要 な 要 素

を 占 め て お り 、最 近 で は ル ー ス チ ュ ー ブ ケ ー ブ ル の 細 径 化 や 軽 量 化 が 強 く 求 め ら れ て い る 。 値 段 重 視 の こ の 種 の 光 フ ァ イ バ は 国 際 規 格 （ITU-T） の 仕 様 範 囲 内 で ス テ ッ プ イ ン デ ッ ク ス 構 造 で 実 現 し 得 る 耐 曲 げ 特 性 に 強 い 光 フ ァ イ バ の 開 発 が 必 要 で あ る 。汎 用 Ge 添 加 型 光 フ ァ イ バ に は 不 可 能 な 、 純 粋 石 英 の 持 つ 屈 折 率 分 散 特 性 の 利 点 を 生 か し た ス テ ッ プ イ ン デ ッ ク ス 構 造 で の 細 径 MFD（Mode Field Diameter）に よ る 耐 曲 げ 性 に 優 れ る 光 フ ァ イ バ の 実 現 に か か る 期 待 は 大 き い 。

５ ）通 信 用 石 英 光 フ ァ イ バ の 技 術 を 基 に 、石 英 ガ ラ ス 画 像 直 接 伝 送 用 光 フ ァ イ バ で あ る 画 像 光 フ ァ イ バ が 開 発 さ れ て き た ²¹⁾。石 英 ガ ラ ス 画 像 光 フ ァ イ バ は 広 い 波 長 領 域 に 亘 っ て 光 の 伝 送 損 失 が 低 く 、 ま た 耐 環 境 性 に も 優 れ る 特 徴 を 有 し て い る 。 そ し て そ の 特 徴 を 生 か し て 、 光 フ ァ イ バ の 全 長 は 数 １ ０ ｍ の も の が 得 ら れ て い る が 、 画 素 数 は ３ 万 か ら ５ 万 程 度 が 一 般 的 に は 最 大 領 域 で あ り 工 業 用 テ レ ビ ジ ョ ン（Industrial Television (ITV)）の 画 質 と 比 べ 著 し く 劣 る も の で あ っ た 。 こ の よ う な 状 況 下 、ITV の よ う な 電 気 機 器 で は 耐 え ら れ な い 高 温 、 狭 窄 、 悪 条 件 下 で も 石 英 ガ ラ ス 画 像 光 フ ァ イ バ の 特 徴 で あ る 、耐 環 境 性 、小 径 寸 法 性 に 優 れ た 特 性 を 生 か し 、か つ ITV の 高 解 像 度 を 損 な わ な い 程 度 の 高 画 質 （ ２ ５ 万 画 素 ） を 維 持 し た 監 視 、 観 察 な ど を 可 能 と す る 可 撓 性 に 優 れ た 画 像 直 接 伝 送 路 の 開 発 へ の 期 待 は 大 き い 。

そ こ で 本 研 究 で は 、 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 光 伝 送 損 失 及 び 画 像 直 接 伝 送 特 性 に 高 性 能 化 を 図 り 、 上 述 し た 問 題 点 を 解 決 す る こ と で 、 各 分 野 へ の 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 適 用 を 可 能 と す べ く 、 色 々 の 分 野 へ の 期 待 に 貢 献 す る こ と を 目 的 と す る 。

1.4 本 論 文 の 構 成

大 特 性 に 焦 点 を あ て 、 通 信 用 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ に お い て 、 そ の 極 低 損 失 記 録 の 樹 立 、 無 中 継 可 能 伝 送 距 離 の 延 長 、 放 射 線 施 設 や 海 底 光 ケ ー ブ ル シ ス テ ム な ど 方 射 線 を 中 心 と し た 環 境 下 に お け る 寿 命 推 定 方 法 の 確 立 を 図 り 、 純 粋 石 英 コ ア 型 光 フ ァ イ バ の 優 位 性 に つ い て 述 べ る 。 第 3 章 で は 、 近 年 特 に メ ト ロ ネ ッ ト ワ ー ク や 市 街 通 信 な ど で 注 目 を 集 め て い る Coarse WDM （ 波 長 多 重 ： wavelength-Division-Multiplexing） に 必 須 で あ る 光 低 伝 送 損 失 の 広 帯 域 化 に 焦 点 を 当 て 、 ITU-T 規 格 G.652C,D に 対 し て 全 適 合 の 低 OH 吸 収 純 粋 石 英 コ ア 型 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ の 開 発 と シ ス テ ム 運 用 中 、必 須 の 要 件 と な る そ の 耐 H₂性 能 を 中 心 に 実 施 し た 検 討 と 、広 波 長 帯 域 無 中 継 伝 送 を 可 能 と す る 高効率Raman増幅の実現 性について述べる。第 4 章 で は 、 従 来 の 汎 用 ス テ ッ プ イ ン デ ッ ク ス 構 造 Ge 添 加 コ ア 石 英 単 一 モ ー ド フ ァ イ バ で は 不 可 能 な 範 囲 の MFD の 極 細 径 化 に て 高 耐 曲 げ 性 能 を 実 現 す る 光 フ ァ イ バ の 開 発 と 、 そ れ に よ り 実 現 し 得 る FTTx 用 細 径 ・ 軽 量 光 ケ ー ブ ル の 開 発 及 び そ の 特 性 に つ い て 述 べ る 。 第 5 章 で は 、 通 常 の テ レ ビ 解 像 度 に 匹 敵 す る ２ ５ 万 画 素 と い う 高 解 像 度 の 、 長 尺 ・ 高 可 撓 性 石 英 ガ ラ ス 画 像 光 フ ァ イ バ の 開 発 、 そ し て 画 質 の 定 量 評 価 を 可 能 と す る MTF（Modulation Transfer Function） 手 法 の 開 発 と 25 万 画 素 画 像 光 フ ァ イ バ の 画 質 定 量 評 価 、 さ ら に は 開 発 し た 25 万 画 素 画 像 光 フ ァ イ バ を 石 油 精 製 プ ラ ン ト の 石 油 汚 泥 燃 焼 設 備 で あ る 回 転 炉 内 部 の 火 炎 燃 焼 状 態 監 視 へ の 適 用 と そ の 高 信 頼 性・実 用 性 に つ い て 述 べ る 。 第 6 章 で は 、画 像 光 フ ァ イ バ の 放 射 線 施 設 で の 使 用 寿 命 の 延 伸 に つ い て 、(1)フ ァ イ バ そ の も の の 耐 放 射 線 性 能 の 向 上 、(2)外 部 付 帯 技 術 に よ る フ ァ イ バ 寿 命 延 伸 技 術（「 光 ブ リ ー チ ン グ 効 果 」の 利 用 ）の 開 発 の ２ 面 か ら の 検 討 結 果 に つ い て 述 べ る 。 第 7 章 で は 、 本 研 究 全 体 に つ い て 総 括 す る 。

第 １ 章 の 参 考 文 献

[1] K.C.Kao and G.A.Hockham “Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies” Proc.IEE Vol.113,No.7, pp.1151-1158,July(1966).

[2] F.P.Kapron, D.B.Keck, and R.D.Maurer “Radiation losses in glass optical waveguides” Appl. Phy. Lett., Vol.17, No.10, pp.423-425, Nov. (1970).

[3] Y.Chigusa, K.Nakazato, S.Hirai, M.Watanabe, S.Suzuki, “ Fluorescence and amplification characteristics of Er doped fluoride fibers” Conference on optical amplifiers and their applications(IEEE),Technical digest series volume 13,Paper No.TuD4,pp.179-181,August(1990).

[4] P.L.Chu, “Polymer optical fibers and waveguides: Technologies and applications”, Proceedings of European Conference on Optical Communication (ECOC), Th.2.3.5, (2004).

[5] 野 田 健 一,“ 光 フ ァ イ バ 伝 送 ”,電 子 通 信 学 会 編,pp.41-50（1981）.

[6] 細 野 “ イ メ ー ジ フ ァ イ バ の 伝 送 特 性 ” 電 子 通 信 学 会 論 文 誌 、Vol.J66-C、 No.11,pp.843-850(1983).

[7] M.Onishi, T.Kashiwada, Y.Ishiguro, Y.Koyano, M.Nishimura and H.Kanamori, “ High-performance dispersion-compensating fibers ”, Fiber and Integrated Optics, Vol.16,No3,pp.277-286,June,(1997).

[8] M.Onishi, T.Okuno, T.Kashiwada, S.Ishikawa, N.Akasaka and M.Nishimura, “Highnonlinear dispersion-shifted fibers and their application to broadband wavelength converter” , Optical Fiber Technology,Vol.4,pp.204-214（1998).

[9] 保 立 、日 本 の 科 学 と 技 術 、pp.40「 計 測 の 新 し い 分 野 と 手 法 を 拓 く 」（1981）. [10] 甘 利 省 吾 、“ デ ー タ 伝 送 ”pp.139-148、 丸 善 、（1971）.

[11] 布 下 正 宏 、 久 間 和 生 、“ 光 フ ァ イ バ セ ン サ ”pp.50、 情 報 調 査 社 （1985）.

[13] M. Josephine Yuen,“ Ultraviolet absorption studies of germanium silicate glasses”, Appl. Opt., Vol. 21, No. 1, pp.136-140,( 1982).

[14] H. Yamashita, H. Mitera and Y. Itoh, “Radiation-induced loss and color-center concentration in optical fibers”, Electron. Lett., Vol. 19, No. 1, pp.11-12, (1983).

[15] P. Dumas, J. Corset, W. Carvalho, Y. Levy and Y. Neuman, “Fluorine doped vitreous silica analysis of fiber optic preforms by vibrationnal spectroscopy”,

J. Non-Crystaline Solids, Vol. 47, No. 2, pp.239, (1982).

[16] Y. Tsunawaki, N. Iwamoto, T. Hattori and A. Mitsuichi, “ Analysis of CaO-SiO2-CaF2 glasses by Raman spectroscopy”, J. Non-Crystalline solids, Vol.

44, pp.369, (1981).

[17] N. Shibata, M. Horiguchi and T.Edahiro, “Raman spectra of binary high-silica glasses and fibers containing GeO2,P2O5 and B2O3”, J. Non-Crystalline Solids, Vol.45, pp.115, (1981).

[18] Jason, J., Ericsson, T. K., and Arvidsson, B.“Hydrogen ageing performance of various fiber types under different ageing conditions”, Proc. IWCS/Focus2003, pp.75-81(2003).

[19] Chang, K. H., Kalish, K., and Pearsall, M. L.“New hydrogen ageing loss in the 1400 nm window”, Proc. OFC’99, PD22(1999).

[20] P.J.Lemaire, “Reliability of optical fibers exposed to hydrogen prediction of long-term loss increases ”, Opt.Eng.Vol.30 No.6 pp.780-789 June (1991).

[21] 吉 村 耕 三 、“ 石 英 イ メ ー ジ フ ァ イ バ と そ の 応 用 ”、 レ ー ザ ー 研 究 Vol.11,No.10,pp.732-738、(1983).

第 2 章 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 極 限 的 光 低 伝 送 損 失 の 実 現 と 耐 環 境 性 に 関 す る 検 討

2.1 は じ め に

光 フ ァ イ バ の 伝 送 原 理 は 基 本 的 に 光 の 全 反 射 を 利 用 す る 極 め て 単 純 な も の で あ る 。 し か し な が ら 、 光 フ ァ イ バ 伝 送 シ ス テ ム を 実 際 の 使 用 現 場 で 実 現 す る た め に は 透 明 度 の 高 い ガ ラ ス を 取 得 す る こ と 、 実 使 用 環 境 下 に 於 け る 安 定 し た 性 能 維 持 の 実 現 が 重 要 点 と な る 。

本 章 で は 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 光 伝 送 損 失 の 低 減 化 の 歴 史 の 中 で 、 長 く 更 新 し 得 な か っ た そ の 低 伝 送 損 失 の 記 録 を 本 研 究 で は 純 粋 石 英 コ ア 光 フ ァ イ バ

（PSCF: Pure Silica Core Fiber） の 設 計 ・ 製 造 の 最 適 化 に よ っ て 更 新 に 成 功 し

1)、 無 中 継 海 底 光 シ ス テ ム な ど へ の 適 用 の 優 位 性 に つ い て 明 ら か と し た ²⁾。 さ ら に 、 今 回 の 低 損 失 化 の 重 要 技 術 と し て 導 入 し た 純 粋 石 英 コ ア 光 フ ァ イ バ は 光 低 伝 送 損 失 に 加 え 、 耐 環 境 性 に も 優 れ る 。 こ の 耐 環 境 性 の 利 点 を 適 用 す る 分 野 に 原 子 力 発 電 所 や 放 射 線 研 究 施 設 な ど が あ る 。 こ う い っ た 施 設 で デ ー タ 伝 送 、 通 信 な ど に 使 わ れ る 光 フ ァ イ バ シ ス テ ム は 一 般 的 に γ 線 の よ う な 電 磁 放 射 線 に よ る 低 線 量 率 放 射 線 環 境 下 に お け る 長 期 信 頼 性 が 求 め ら れ る た め 、「 低 線 量 率 放 射 線 に よ る 長 期 信 頼 性 の 評 価 手 法 の 開 発 と 耐 放 射 線 性 能 評 価 」 が 重 要 と な る が 、 こ れ ま で こ う い っ た 手 法 の 開 発 の 報 告 例 は 無 い 。 ま た 放 射 線 研 究 施 設 で は γ 線 の よ う な 電 磁 放 射 線 に 加 え て 、 中 性 子 線 の よ う な 照 射 物 質 へ の 影 響 度 の 強 い 粒 子 放 射 線 も 環 境 に 存 在 す る 場 合 が あ る が 、 こ れ ま で 中 性 子 線 と γ 線 に よ る 光 フ ァ イ バ の 伝 送 損 失 増 加 特 性 の 違 い に つ い て の 評 価 報 告 例 は 無 く 、 本 研 究 に よ っ て 初 め て 、 そ の

も 海 底 の Mn 塊 な ど か ら わ ず か な が ら も 放 射 線 を 発 し て い る 領 域 を 通 過 さ せ な け れ ば な ら な い 箇 所 も あ り 、 ま た 長 期 間 に わ た り 閉 じ 込 め ら れ た ケ ー ブ ル 内 で 発 生 す る H2 に よ る 光 損 失 増 加 へ の 影 響 も 考 慮 す る 必 要 が あ る 。 低 損 失 光 フ ァ イ バ PSCF は 海 底 光 ケ ー ブ ル シ ス テ ム に 広 く 導 入 さ れ 、Er 添 加 光 フ ァ イ バ 光 増 幅 器

（EDFA） と 併 せ て 長 距 離 海 底 光 シ ス テ ム と し て 敷 設 さ れ る 。 海 底 幹 線 用 光 フ ァ イ バ PSCF に つ い て は す で に こ の 海 底 の 極 微 量 放 射 線 や 水 素 に よ る 影 響 に つ い て は 問 題 な い こ と が 確 認 さ れ て い る ^4,5,6）が 、PSCF 光 海 底 ケ ー ブ ル シ ス テ ム に 組 み 込 ま れ る 光 増 幅 用 Er 添 加 コ ア 光 フ ァ イ バ に つ い て も 併 せ て 信 頼 性 の 評 価 が 必 要 と な る が こ れ を 精 度 良 く 評 価 で き る 手 法 の 報 告 例 は こ れ ま で な か っ た 。 本 研 究 で は こ れ ら フ ァ イ バ の 耐 環 境 長 期 信 頼 性 評 価 手 法 を 確 立 し 、 純 粋 石 英 コ ア フ ァ イ バ の 優 位 性 と 、 光 増 幅 用 Er 添 加 コ ア 光 フ ァ イ バ に つ い て も そ の 信 頼 性 に 問 題 が 無 い こ と を 明 ら か と し た ^7,8,)。

本 章 で は 以 上 の よ う に 、 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 極 限 的 光 低 伝 送 損 失 の 実 現 と 放 射 線 を 中 心 と し た 耐 環 境 性 能 評 価 手 法 の 確 立 に つ い て 述 べ る 。

本 節 に 続 き 、2.2 節 で は 石 英 ガ ラ ス の 光 伝 送 損 失 低 減 の 歴 史 に つ い て 述 べ る 。 2.3 節 で は 純 粋 石 英 コ ア シ ン グ ル モ ー ド 光 フ ァ イ バ（PSCF）の 構 造 設 計 と 極 低 損 失 記 録 更 新 を 果 た し た フ ァ イ バ の 伝 送 特 性 に つ い て 述 べ る 。2.4 節 で は 汎 用 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ と PSCFの 無 中 継 光 伝 送 可 能 距 離 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 比 較 を 実 施 し 、PSCF の 優 位 性 を 示 す と 同 時 に PSCF と ラ マ ン 増 幅 の 組 み 合 わ せ の 優 位 性 を 示 す 。2.5 節 で は PSCF の 放 射 線 施 設 に お け る 光 伝 送 損 失 へ の 長 期 信 頼 性 に 関 す る 検 討 と 、 光 増 幅 用 Er 添 加 光 フ ァ イ バ の 海 底 環 境 に お け る 長 期 信 頼 性 に 関 す る 検 討 に つ い て 述 べ る 。2.6 節 で は 本 章 の 要 約 を 行 う 。

2.2 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 光 伝 送 損 失 低 減 の 歴 史

低 損 失 光 フ ァ イ バ は 今 や 情 報 ・ 通 信 シ ス テ ム に 無 く て は な ら な い 存 在 に な っ て い る 。 特 に 海 底 ケ ー ブ ル の よ う な 超 長 距 離 伝 送 シ ス テ ム に は 超 低 損 失 光 伝 送 が 極

め て 重 要 な 要 素 と な る 。

物 質 中 を 光 の 全 反 射 を 利 用 し て 伝 播 さ せ る 理 論 は 古 く か ら 知 ら れ て い る が さ ま ざ ま な 問 題 点 が あ り 、 通 信 へ の 実 用 を 提 唱 す る 研 究 者 は な か な か 現 れ な か っ た 。 光 フ ァ イ バ 通 信 の 実 用 化 に 向 け て の 画 期 的 提 唱 は １ ９ ６ ６ 年 に Kao ら の 研 究 成 果 に よ り 初 め て 報 告 さ れ た ⁹⁾。 そ れ は 石 英 ガ ラ ス 中 の 不 純 物 を 除 去 す る こ と に よ り 低 損 失 な 光 通 信 用 伝 送 媒 体 が 得 ら れ る 可 能 性 が あ る こ と を 示 し た 「 光 通 信 」 と い う 大 き な 夢 の 実 現 に 向 け た 画 期 的 な 提 唱 で あ り 、 こ の 分 野 の 世 界 の 注 目 を 浴 び た 。 こ の 可 能 性 の 提 唱 を 受 け て 、 伝 搬 損 失 低 減 の 研 究 を 表 2.1 に ま と め る が 、 こ れ は 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 低 損 失 化 に 向 け た 研 究 の 幕 開 け と な っ た 。

１ ９ ７ ０ 年 に は Corning Glass Work 社 の Kapron ら に よ っ て Chemical Vapor-phase Deposition (CVD)法 に よ っ て 20dB/km の 低 伝 送 損 失 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 試 作 に 成 功 し た ¹⁰⁾。 １ ９ ７ ４ 年 に は AT&T の Bell 研 究 所 の MacChesney ら に よ っ て 、Modified Chemical Vapor-phase Deposition (MCVD) 法 が 開 発 さ れ 、1.06μm に お い て 2～ ３dB/km の 低 損 失 石 英 ガ ラ ス 光 フ ァ イ バ の 試 作 に 成 功 し た ¹¹⁾。 そ の 後 、NTT の Horiguchi ら は MCVD 法 を 使 用 し て 、 石 英 ガ ラ ス 中 の 水 酸 基 の 低 減 を 図 る こ と を 試 み 、1976 年 に は 、1.2μm の 波 長 に お い て 0.47dB/km の 低 損 失 石 英 光 フ ァ イ バ を 得 る こ と に 成 功 し た ¹²⁾。さ ら に 1979 年 に は NTT の Miya ら は 光 フ ァ イ バ の 構 造 不 整 を 大 幅 に 除 去 す る こ と に 成 功 し て 、1.55μm の 波 長 に お い て 0.20dB/km と い う 理 論 限 界 に 近 接 す る 低 損 失 Ge 添 加 石 英 コ ア 単 一 モ ー ド フ ァ イ バ （Ge-SMF） を 開 発 し た ¹³⁾。

以 上 の よ う に 、 こ れ ま で の 光 フ ァ イ バ の 低 損 失 化 が 、 金 属 不 純 物 や 水 酸 基 と い う 「 不 純 物 の 低 減 」 と 「 光 フ ァ イ バ の 構 造 上 の 不 整 の 低 減 」 を 図 る こ と に よ り 達 成 さ れ て き た 。 そ し て さ ら に こ れ 以 上 の 低 損 失 化 を 達 成 す る た め に は 、 コ ア に お け る Rayleigh 散 乱 損 失 の 低 減 化 が 必 要 な 段 階 に 入 っ て い た 。そ こ で 住 友 電 工（ 株 ）の Kanamori ら は Rayleigh 散 乱 損 失 に 寄 与 の 大 き な コ ア 中 の Ge を 除 去 す る こ と に 着 目 し た 。 そ し て 彼 ら は コ ア を 全 く の 純 粋 石 英 と し 、 コ ア 、 ク

ら Rayleigh 散 乱 損 失 に 影 響 を 与 え る Ge を 除 く こ と で 、１ ９ ８ ６ 年 に 1.55μm の 波 長 に て 0.154dB/km と い う 超 低 損 失 光 フ ァ イ バ の 試 作 に 成 功 し た ¹⁴⁾。

以 下 本 研 究 で 成 功 す る 伝 送 損 失 の 限 界 更 新 が 達 成 さ れ 得 る ま で は こ の 1.55μ m の 波 長 に お け る 0.154dB/km と い う 記 録 が １ ６ 年 間 に わ た り 更 新 さ れ る こ と は 無 か っ た 。し か し な が ら 、そ の 間 １ ９ ９ ０ 年 代 に 入 っ て 、Er 添 加 フ ァ イ バ 光 増 幅 器（EDFA）や Raman 増 幅 器 の よ う な 光 増 幅 技 術 ¹⁵⁾が 劇 的 な 発 展 を 遂 げ た 段 階 に 入 っ て も な お 、 ビ ッ ト レ ー ト を 増 加 さ せ な が ら 伝 送 距 離 を 伸 長 す る た め に 、 光 フ ァ イ バ の 伝 送 損 失 は 常 に シ ス テ ム 構 成 上 の 制 限 条 件 と な る た め 、 さ ら な る 伝 送 損 失 の 低 減 化 が 望 ま れ 続 け て い る 。

Table2.1 Progress of optical fiber in attenuation

Year Loss(dB/km)(Wavelength(μm)) Ref.

1970 1974 1976 1979 1986

20

2∼3 (1.06) 0.47 (1.2) 0.20 (1.55) 0.154 (1.55)

Corning[2]

ATT, Bell Lab[3]

NTT, Fujikura[4]

NTT[5]

Sumitomo[6]

2.3 極 低 損 失 純 粋 石 英 コ ア 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ(PSCF)の 設 計 と 特 性

2.3.1 極 低 損 失 PSCF の 構 造 設 計

本 研 究 の 試 作 方 法 に お い て 、 極 低 損 失 の 純 粋 石 英 コ ア 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ

（PSCF） の 試 作 に 成 功 し た 。 極 低 損 失 と 言 う 利 点 を 最 大 限 に 引 き 出 し 得 る 光 フ ァ イ バ 通 信 シ ス テ ム と し て 海 底 な ど の 無 中 継 光 伝 送 シ ス テ ム が 挙 げ ら れ る 。 そ の

た め 、 今 回 、 極 低 損 失 光 フ ァ イ バ を 開 発 す る に あ た り 、 そ の 構 造 設 計 を こ の 無 中 継 光 伝 送 シ ス テ ム の 無 中 継 距 離 を 最 大 限 伸 張 で き る よ う 留 意 し な が ら 設 計 し た 。

無 中 継 距 離 の 伸 張 の た め に 、 低 損 失 に 加 え 、 大 容 量 光 の 入 射 に お い て 通 信 に 支 障 を 来 た す 非 線 形 現 象 を 抑 え る 方 法 を 考 慮 す る 必 要 が あ る 。 そ こ で こ の 非 線 形 現 象 を 低 減 す る た め に PSCF の コ ア 有 効 断 面 積 Aeff を 通 常 型 PSCF よ り も 拡 大 し た 。 図 2.1 に 今 回 設 計 し た デ ィ プ レ ス ト ク ラ ッ ド 構 造 の PSCF の 屈 折 率 分 布 を 示 す 。 デ ィ プ レ ス ト ク ラ ッ ド 構 造 は コ ア 拡 大 光 フ ァ イ バ に お い て 、 コ ア に 光 を 封 じ 込 め る こ と で 曲 げ 特 性 を 改 良 す る た め に 用 い た ¹⁵⁾。構 造 パ ラ メ ー タ は 試 作 に お い て 、「 比 屈 折 率 差 」^{（ 注 ）}を Δn と 記 述 す る と 、 弗 素 添 加 石 英 第 一 ク ラ ッ ド の を Δn1

と 記 述 し 、 Δn1＝0.32%、 弗 素 添 加 石 英 第 二 ク ラ ッ ド の 比 屈 折 率 差 を Δn2 と 記 述 し 、 Δn2＝0.26%と し た 。

（ 注 ） 比 屈 折 率 差 の 定 義

コ ア で あ る 純 粋 石 英 の 屈 折 率 を n0 と し 、 第 一 ク ラ ッ ド の 屈 折 率 を n1、 第 二 ク ラ ッ ド の 屈 折 率 を n2と す る 。

比 屈 折 率 差Δn(%)

第 一 クラッド比 屈 折 率 差 Δn₁=(n₀-n₁)/n₀×100(%) 第 二 クラッド比 屈 折 率 差 Δn2=(n0-n2)/n0×100(%)

表 2.2 に PSCF の 1550nm に お け る フ ァ イ バ 特 性 の 概 略 を 示 す 。コ ア 有 効 断 面 積 Aeff は 118μm²と 大 き い 。 従 来 型 の 0.154dB/km 光 フ ァ イ バ ⁴⁾は 、 モ ー ド フ ィ ー ル ド 径 MFD が 9.5μm で ス テ ッ プ イ ン デ ッ ク ス 型 屈 折 率 分 布 形 状 で あ り 、 今 回 の 試 作 フ ァ イ バ の MFD は 12.2μm と 大 き い た め 、デ ィ プ レ ス ト ク ラ ッ ド 構 造 と し た 。 以 上 に よ り 今 回 の 試 作 フ ァ イ バ の 構 造 は 大 容 量 長 距 離 通 信 に 適 し た 構 造 と な っ た 。

2.3.2 極 低 損 失 フ ァ イ バ の 光 伝 送 損 失 特 性

図 2.2 に 2.3.1 節 で 設 計 し 試 作 し た フ ァ イ バ の 光 伝 送 損 失 波 長 特 性 を 示 す 。 純 粋 石 英 コ ア 型 光 フ ァ イ バ の 設 計 ・ 製 造 の 最 適 化 に よ っ て 、波 長 1310nm に お い て 0.265dB/km、そ し て 波 長 1570nm に お い て 0.148dB/km と 言 う 1986 年 か ら １ ６ 年 間 更 新 さ れ な か っ た 極 低 損 失 の 記 録 を 更 新 す る こ と に 成 功 し た 。

損 失 波 長 特 性 は ITU-T,G.650.1(06/2004)に 測 定 法 と し て 規 定 さ れ て い る カ ッ ト バ ッ ク 法 を 用 い て 測 定 し た 。 測 定 の 繰 り 返 し 再 現 性 は 光 源 の 安 定 性 、 光 強 度 測 定 器 の 安 定 性 、 測 定 に お け る フ ァ イ バ の 入 出 力 端 接 続 の 繰 り 返 し 再 現 性 に 依 存 す る 。 今 回 の 評 価 測 定 系 に お い て 、 全 体 繰 り 返 し 再 現 性 は ±0.005dB 以 内 に あ る こ と を 確 認 し た 。 測 定 フ ァ イ バ 長 が 10km 以 上 （ 実 測 長 11.3km） で あ る こ と を 考 慮 す れ ば 、損 失 測 定 の 繰 り 返 し 再 現 性 は ±0.0005dB/km よ り も 良 い も の と 考 え ら れ る 。 繰 り 返 し 再 現 性 を さ ら に 改 善 す る た め に 、 ４ 回 の 測 定 の 平 均 値 を 損 失 測 定 値 と し て 採 用 す る こ と と し た 。 平 均 値 を 用 い る こ と で 繰 り 返 し 再 現 性 は ± 0.00025dB/km 以 内 に 改 善 さ れ る 。 損 失 測 定 精 度 に 影 響 を 与 え る も う 一 つ の 要 素 に フ ァ イ バ 長 の 計 尺 精 度 が あ る 。 今 回 、 フ ァ イ バ 長 は ±0.05%よ り も 良 い 精 度 で 測 定 さ れ て い る 。フ ァ イ バ の 伝 送 損 失 が 0.2dB/km 以 下 で あ る こ と を 考 慮 す れ ば 、 dB/km 単 位 で の 損 失 測 定 精 度 は ±0.0001dB/km 以 内 と な る 。以 上 よ り 、伝 送 損 失 測 定 の 全 体 精 度 は ±0.00035dB/km よ り も 良 い 精 度 が 確 保 で き る こ と が わ か る 。 こ れ に よ り 、 本 研 究 に よ る 測 定 に お い て 、0.001dB/km 階 級 の 損 失 測 定 値 差 の 優 位 性 の 有 無 を 議 論 す る に 十 分 な 精 度 が 考 慮 さ れ て い る こ と が 確 認 で き た 。

極 小 値 付 近 の 詳 細 な 損 失 波 長 特 性 を 図 2.3 に 示 す 。2nm ピ ッ チ で 平 均 値 を 打 点 し 曲 線 補 間 を 行 っ た 。

1570nm 付 近 で 0.148dB/km の 極 低 損 失 値 が 得 ら れ た 。 測 定 に 際 し て は フ ァ イ バ は ボ ビ ン 巻 き 時 の 曲 げ に 起 因 す る 損 失 増 加 を 防 ぐ た め に 束 状 態 で 測 定 し た 。 束 状 態 は 側 圧 を 開 放 す る ル ー ス チ ュ ー ブ ケ ー ブ ル （ チ ュ ー ブ の 中 に 光 フ ァ イ バ を 束 縛 し な い 解 放 状 態 で 挿 入 し 、そ の チ ュ ー ブ を よ り 合 わ せ て ケ ー ブ ル 化 す る ケ ー ブ ル ） の 状 態 に 匹 敵 す る 。 伝 送 損 失 の 構 成 要 素 を 極 小 損 失 値 の 得 ら れ た 波 長 に お い て 解 析 し 、 結 果 を 表 2.3 に 示 す 。 光 フ ァ イ バ の 損 失 要 因 を 分 析 す る た め に 、 通 常 、 損

失 波 長 特 性 を 式 （ １ ） の モ デ ル に 当 て は め る こ と が 行 わ れ る 。

伝 送 損 失 ＝A／λ⁴＋B＋C(λ₎ （ １ ）

こ こ でλ： 波 長 、A：Rayleigh 散 乱 係 数 、B:定 数 、C(λ)： 波 長 依 存 関 数 。

式 （ １ ） の 第 １ 項 は Rayleigh 散 乱 損 失 値 で あ る 。 こ れ は ガ ラ ス 中 の 微 視 的 な 誘 電 率 揺 ら ぎ に よ る 散 乱 損 失 で あ る 。 第 ２ 項 は 構 造 不 整 損 失 と 呼 ば れ 、 コ ア と ク ラ ッ ド の 界 面 の 凹 凸 な ど に よ る 散 乱 損 失 で あ る と さ れ て い る 。 第 ３ 項 は そ の 他 の 損 失 を 示 す 。そ の 他 の 損 失 と は 波 長 1.38μmな ど に ピ ー ク を も つ OH吸 収 損 失 や 、 波 長 と と も に 増 大 す る 赤 外 吸 収 損 失 、 マ イ ク ロ ベ ン ド 損 失 な ど が あ る 。 今 回 得 ら れ た 極 低 損 失 を 式 （ １ ） に 当 て は め た 波 形 解 析 に よ り 表 2.3 の 結 果 を 得 た 。 試 作 フ ァ イ バ PSCF の Rayleigh 散 乱 損 失 値 は 波 長 1570nm に お い て 0.123dB/km で あ る 。こ の 値 は Ge 添 加 コ ア 型 の 汎 用 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ（Ge-SMF）の 典 型 値 0.155dB/km よ り も 著 し く 小 さ い 。Rayleigh 散 乱 損 失 に お け る 差 は 純 粋 石 英 コ ア の 利 点 を 表 す 。 極 小 損 失 に お け る OH 吸 収 の 裾 の 影 響 度 は 0.002dB/km と 見 積 も れ る 。 こ の こ と は 、 今 回 の 試 作 フ ァ イ バ か ら OH を 取 り 除 く こ と が で き れ ば 0.146dB/km の 極 小 値 を 実 現 で き る 可 能 性 を 示 し て い る と 言 え る 。 他 の 構 成 要 素 と し て 構 造 不 整 が 0.004dB/kmと 低 く 、赤 外 線 吸 収 は0.019dB/kmと な っ て い る 。 今 回 の 試 作 0.148dB/km を 得 る に 至 る そ の 直 前 に お い て 実 施 し た 試 作 に お い て も 0.151dB/km と 言 う 極 低 損 失 値 を 得 て お り ¹⁶⁾、こ の 両 試 作 フ ァ イ バ の 差 は 主 に OH 吸 収 損 失 と 考 え ら れ る が 、 両 試 作 フ ァ イ バ と も 従 来 の 記 録 0.154dB/km¹⁶⁾を 上 回 っ て お り 、 今 回 の 低 損 失 記 録 の 更 新 の 再 現 性 を 示 す も の で あ る 。

F-doped

2nd Cladding

Refractive index of Pure Silica

n

F-doped 1st Cladding

0.32 %

0.26%

Core

Fig. 2.1 Schematic refractive index profile of PSCF

*Rel at ive r e fr a c ti v e inde x d e fe re nce Δ n [% ]

Radius n

n

*Rel at ive r e fr a c ti v e inde x d e fe re nce Δ n [% ]

*Refractive index difference Δ n(%)

F-doped 1

cladding Δ n=(n

-n

)/n

× 100(%) F-doped 2

cladding Δ n=(n

-n

)/n

× 100(%) F-doped

2nd Cladding

Refractive index of Pure Silica

n

F-doped 1st Cladding

0.32 %

0.26%

Core

Fig. 2.1 Schematic refractive index profile of PSCF Radius

n

n

*Refractive index difference Δ n(%)

F-doped 1

cladding Δ n=(n

-n

)/n

× 100(%) F-doped 2

cladding Δ n=(n

-n

)/n

× 100(%)

62.5μm

6.1 μ m

Table 2.2 Characteristics of fiber (1550nm)

Loss at 1550nm [dB/km] 0.150 Loss at 1570nm [dB/km] 0.148

Dispersion [ps/km/nm] 20.

Dispersion Slope [ps/km/nm

] 0.06

MFD [ μ m] 12.2

Aeff [ μ m

] 118

Cutoff [ μ m] 1.41

Bending loss [dB/m] 2.4

Total Loss 0.148

Rayleigh scattering 0.123

OH loss 0.002

Imperfection loss 0.004

Infrared loss 0.019

Table 2.3 Loss components at 1570nm [dB/km]

0.0 0.4 0.8 1.2

1000 1200 1400 1600

Wavelength (nm)

0.148 dB/km at 1570 nm 0.265 dB/km

at 1310 nm

0.0 0.4 0.8 1.2

1000 1200 1400 1600

Wavelength (nm)

0.148 dB/km at 1570 nm 0.265 dB/km

at 1310 nm

Attenuation (dB/km ) Attenuation (dB/km )

Fig. 2.2 Spectral attenuation of PSCF

0.146 0.148 0.150 0.152 0.154 0.156 0.158 0.160 0.162 0.164 0.166 0.168

1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

Wavelength (nm)

A tt enua ti on ( d B/ km ) < 0.160 dB/km between 1506 and 1614nm C-Band

L-Band

0.1484dB/km

0.146 0.148 0.150 0.152 0.154 0.156 0.158 0.160 0.162 0.164 0.166 0.168

1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620

Wavelength (nm)

A tt enua ti on ( d B/ km ) < 0.160 dB/km between 1506 and 1614nm C-Band

L-Band

0.1484dB/km

Fig. 2.3 Detailed spectral attenuation of PSCF

[1500-1625nm]

2.4 汎 用 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ と PSCF の 無 中 継 光 伝 送 可 能 距 離 の 模 擬 計 算 比 較

本 節 で は 今 回 開 発 し た 低 損 失 ・ 低 非 線 形 性 PSCF の 無 中 継 光 伝 送 シ ス テ ム で の 適 用 の 有 用 性 に つ い て 考 察 す る 。今 回 開 発 さ れ た 低 損 失 ・ 低 非 線 形 性 PSCF の 中 心 的 利 点 は 無 中 継 最 大 伝 送 距 離 の 伸 張 に あ る 。 前 置 増 幅 器 と し て Er 添 加 フ ァ イ バ 光 増 幅 器 （EDFA） を 使 用 し た シ ス テ ム と 、 後 方 向 励 起 分 布 型 Raman 増 幅 器

（DRA）を 使 用 し た シ ス テ ム に つ い て 最 大 伝 送 距 離 を 比 較 し た 。最 大 伝 送 距 離 は 許 容 さ れ る 伝 送 損 失 値 を 単 位 長 さ あ た り の フ ァ イ バ 伝 送 損 失 で 除 す る こ と に よ っ て 定 義 さ れ る 。 許 容 さ れ る 伝 送 損 失 値 は フ ァ イ バ 入 射 最 大 光 強 度 と 前 置 増 幅 器 前 で 要 求 さ れ る 光 強 度 と の 差 で 定 義 さ れ る 。 今 回 の 推 定 評 価 に お い て 、 フ ァ イ バ 入 射 最 大 光 強 度 は フ ァ イ バ の 非 線 形 性 に よ っ て 限 定 さ れ る た め 、 非 線 形 重 み を １ rad に な る よ う に 光 強 度 を 調 整 し た ¹⁷⁾。 ま た 、 前 置 増 幅 器 前 の 要 求 光 強 度 は 、 前 置 増 幅 器 の 利 得 と 雑 音 指 数（NF）に 依 存 す る 。表 2.4 に 低 損 失・低 非 線 形 性 PSCF と 、 比 較 に 従 来 型 汎 用 Ge-SMF の フ ァ イ バ パ ラ メ ー タ を ま と め た 。

前 置 増 幅 器 と し て EDFA を 使 用 す る シ ス テ ム に 対 し て は PSCF、Ge-SMF と も に 、前 置 増 幅 器 の 利 得 と NF を そ れ ぞ れ 、15dB、6dB と 仮 定 し た 。こ の 評 価 に お い て 最 大 伝 送 距 離 に 違 い を 与 え る パ ラ メ ー タ は フ ァ イ バ 損 失 と フ ァ イ バ 入 射 光 強 度 で あ る 。今 回 の 低 損 失・低 非 線 形 性 PSCF の 大 き な Aeff は 非 線 形 効 果 を 抑 え 得 る た め 、 汎 用 G-SMF 対 比 0.5dB 高 い フ ァ イ バ 入 射 光 強 度 を 実 現 で き る 。 こ の 高 フ ァ イ バ 入 射 光 パ ワ ー と 低 光 伝 送 損 失 に よ り 、図 2.4 に 示 す よ う に EDFA を 前 置 増 幅 器 に 使 用 し た シ ス テ ム に お い て 最 大 無 中 継 伝 送 長 を 341km に 伸 長 で き る こ と を 明 ら か と し た 。一 方 、Ge-SMF は 256km に 留 ま っ て お り 、PSCF の 優 位 性 を 明 確 に 示 せ た 。

次 に 、DRA を 前 置 増 幅 器 に 使 用 し た シ ス テ ム に つ い て 評 価 す べ く 、EDFA を 取 り 除 い て 、DRA を 前 置 増 幅 器 と し て 評 価 し た 。DRA の 後 方 向 励 起 光 強 度 を フ ァ イ バ の Rayleigh散 乱 に よ り DRAが 自 己 発 振 し な い 範 囲 で 最 大 と な る よ う 設 定 し た 。DRA の 利 得 と NF は 参 考 文 献 ¹⁸⁾に 基 づ く 数 値 模 擬 計 算 に て 決 定 し た 。PSCF

に 対 す る 、後 方 向 励 起 光 強 度 、作 動・停 止 利 得 、有 効 NF は そ れ ぞ れ 、30.5dBm、 29.8dB、－3.3dB と な り 、Ge-SMF に た い し て は 、そ れ ぞ れ 、30.0dBm、29.2dB、

－3.4dB と な っ た 。EDFA よ り も 高 い DRA の 利 得 に よ り 、 無 中 継 最 大 伝 送 距 離 は PSCF に 対 し て 404km、Ge-SMF に 対 し て 304km と 伸 長 で き る こ と を 明 ら か と し 、PSCF の 優 位 性 が 示 せ た 。

以 上 に よ り 、低 損 失 ・ 低 非 線 形 性 PSCF に よ る 無 中 継 光 伝 送 シ ス テ ム の 最 大 距 離 の 伸 張 へ の 貢 献 を 明 ら か に す る こ と が で き た 。

PSCF Ge-SMF

Loss at 1570 nm [dB/km] 0.148 0.196

Aeff [μ m

] 118 83

Fig. 2.4 Maximum transmission distance

With EDFA

With DRA

Table 2.4 The fiber parameters for the low loss PSCF and a conventional Ge-SMF as a reference

404 341

PSCF Ge-SMF EDFA

With

304

200 250 300 350 400 450

With

Distance (km) DRA

256

2.5 光 伝 送 損 失 へ の 信 頼 性 に 関 す る 検 討

2.5.1 放 射 線 施 設 光 シ ス テ ム に お け る PSCF の 信 頼 性 評 価 に 関 す る 検 討 (a)照 射 実 験 の 方 法 と 結 果

２ つ の 型 式 の 単 一 モ ー ド 光 フ ァ イ バ が γ 線 照 射 実 験 に 供 さ れ た 。 １ つ は 純 粋 石 英 コ ア/弗 素 添 加 ク ラ ッ ド フ ァ イ バ PSCF で あ り 、も う １ つ は Ge 添 加 コ ア/純 粋 石 英 ク ラ ッ ド フ ァ イ バ の Ge-SMF で あ る 。表 2.5 に フ ァ イ バ 構 造 パ ラ メ ー タ を 示 す

（ 両 フ ァ イ バ の 構 造 パ ラ メ ー タ は 表 の 値 に 揃 え た ）。こ れ ら フ ァ イ バ は γ 線 照 射 室 に て ⁶⁰Co を 線 源 に γ 線 を 照 射 し た 。照 射 線 量 率（ 第 1 章 1.3 節 に 注 釈 あ り ）を 10²R/h か ら 10⁶R/h と し た 。 照 射 中 、 損 失 増 加 量 は 連 続 計 測 さ れ た 。 入 射 光 強 度 は 20nW で 、 波 長 は 1.3μm と し た 。 照 射 フ ァ イ バ 長 は 線 量 率 に よ り 増 加 損 失 に あ わ せ て 測 定 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ を 考 慮 し 、30－100m で 調 整 し た 。

さ ら に 速 中 性 子 線 （ 中 性 子 線 の う ち 、 一 般 的 に 0.5MeV 以 上 の 大 き な 運 動 エ ネ ル ギ ー を 持 つ も の を 言 う ） の 照 射 試 験 に お い て 14MeV 中 性 子 線 に よ る 照 射 を こ れ ら ２ 種 類 の フ ァ イ バ に 対 し て 実 施 し た 。 中 性 子 線 に よ る 伝 送 損 失 増 加 と γ 線 に よ る そ れ を 比 較 す る た め に 、 照 射 エ ネ ル ギ ー を あ わ せ た 照 射 試 験 を 実 施 し た 。 照 射 時 間 は 速 中 性 子 線 、γ 線 照 射 と も に 3.5h と し た 。速 中 性 子 束 は 1.5×10¹⁴n/cm²

（ 中 性 子 束 ： 単 位 面 積 を 毎 秒 通 過 す る 中 性 子 の 数 。 ニ ュ ー ト ロ ン/ cm²と 呼 ぶ 。）

で γ 線 線 量 は 3×10⁵R と し た 。

γ 線 照 射 結 果 を 図 2.5 に 、 中 性 子 線 照 射 結 果 を 図 2.6 に 示 す 。 ま た 表 2.7 に γ 線 、 速 中 性 子 線 に よ る 光 伝 送 損 失 増 加 量 の 比 較 を 示 す 。

Table 2.5 Structural parameters of single mode fibers

1.30 μm Zero dispersion wavelength

9.5 μm Mode field diameter

1.20μm LP₁₁cut-off wavelength

0.3%

Relative refractive index difference

125 μm Outer diameter

8.5 μm Core diameter

1.30 μm Zero dispersion wavelength

9.5 μm Mode field diameter

1.20μm LP₁₁cut-off wavelength

0.3%

Relative refractive index difference

125 μm Outer diameter

8.5 μm Core diameter

Total dose [ R ]

(a) PSCF

(b) Ge-SMF

Total dose [ R ]

In d u ced lo s s [ d B /km at 1. 30 μ m ] In d u ced lo ss [ d B /km at 1. 30 μ m ]

h

h

h

h h

h

h

h

h

Fig. 2.5 γ-ray irradiation characteristics

Time [ h ]

Induced loss [dB/km at 1.30 μ m ]

PSCF Ge-SMF

Fig.2.6 Neutron irradiation characteristics

Table 2.6 Comparison of neutron and γ -ray induced loss (at 1.30 μ m)

(b)γ 線 、 中 性 子 線 照 射 特 性 評 価

図 2.5 に 示 す γ 線 照 射 結 果 か ら γ 線 に 対 す る PSCF の 光 伝 送 損 失 信 頼 性 に 対 す る 優 位 性 が 明 確 化 さ れ た 。

ま た 図 2.6 に 示 す 中 性 子 線 照 射 に 対 し て も PSCF の 光 伝 送 損 失 信 頼 性 に 対 す る 優 位 性 が 明 確 化 さ れ た 。

中 性 子 線 に よ っ て 引 き 起 こ さ れ る 伝 送 損 失 増 加 機 構 は γ 線 の そ れ と は 異 な る も の と 考 え ら れ る が 、 し か し な が ら 同 一 照 射 エ ネ ル ギ ー 下 で 比 較 し た 場 合 、 表 2.6 に 示 す よ う に 、Ge-SMF は 中 性 子 線 誘 起 伝 送 損 失 増 加 量 が γ 線 の そ れ の ２ 倍 以 上 と 明 ら か な 大 き さ の 違 い を 示 し た も の の 、PSCF に つ い て は ほ ぼ 同 じ 損 失 増 加 量 を 示 し た 。 純 粋 石 英 コ ア の 示 す こ の 現 象 は 大 変 興 味 深 い 結 果 で あ り 、 従 来 に 報 告 例 は 無 い 。PSCF に つ い て γ 線 の み な ら ず 中 性 子 線 に つ い て も 大 き な 優 位 性 が 示

(c)γ 線 低 線 量 率 ・ 長 期 照 射 条 件 下 で の 寿 命 推 定 方 法 の 確 立

低 線 量 率 下 で の 寿 命 推 定 の 信 頼 性 は 、実 験 で 得 ら れ た 高 線 量 率 、短 時 間 照 射 の 結 果 を 分 析 し 、 如 何 に 高 精 度 に 低 線 量 率 、 長 時 間 領 域 へ 外 挿 す る か に よ る 。 照 射 誘 起 光 伝 送 損 失 は 照 射 総 線 量 の み な ら ず 線 量 率 に も 依 存 す る と い う 難 問 を 抱 え る 。 こ れ は 図 2.5 に お け る 照 射 実 験 結 果 に も 明 ら か に 示 さ れ て い る 。 そ こ で 、 本 研 究 に お い て 損 失 増 加 量 を 推 定 す る た め に 、 損 失 増 加 量 の 照 射 総 線 量 比(δ)の 使 用 を 試 み た 。

δ は 式(1)で 定 義 さ れ る 。

δ ＝ Δ α ／D (1) δ ： 損 失 増 加 量 の 照 射 総 線 量 比 [dB/km R]

Δ α:照 射 誘 起 光 伝 送 損 失 増 加 量 [dB/km at 1.3μm]

D: 照 射 総 線 量 [R]

δ の 時 間 と 線 量 率 の 依 存 性 を そ れ ぞ れ 図 2.7、 図 2.8 に 示 す 。 図 2.7、 図 2.8 に お い て 、logδ の log(time)と log(dose rate)に 対 す る 依 存 性 の 存 在 が 確 認 で き た 。 こ の こ と か ら 、 δ を 低 線 量 率 、 長 時 間 領 域 （ 実 際 の シ ス テ ム 使 用 期 間 を 想 定 し た 年 オ ー ダ ー の 時 間 領 域 ） に 実 験 で 得 た １ ０ ０ 時 間 ま で の 明 確 な 時 間 依 存 性 結 果 に 基 づ い て 外 挿 す る こ と に よ り 、 低 線 量 率 、 長 時 間 （ 例 ： ２ ５yr： 一 般 的 な ケ ー ブ ル 保 障 寿 命 ） の 損 失 増 加 量 が 図 2.9 に 示 す よ う に 推 定 で き る （ 損 失 増 加 量 は Δ α

＝ δ ×D と し て 算 出 で き る ）。

表 2.7 に 1R/h×25yr の γ 線 照 射 後 の PSCF と Ge-SMF の 損 失 増 加 量 を 示 す 。 こ の 結 果 か ら PSCF の 放 射 線 環 境 下 に お け る 長 期 信 頼 性 が 確 認 で き た 。

Fig.2.7 Time dependence of δ (PSCF) Log t [h]

Log δ [ × 10

dB/km/ R]

10

10

R/h

10 R/h

10

R/h

R/h 10

R/h

－

－

－

Log dose rate [R/h]

10

h

10

h 10

h

2.19 × 10

h ( 25yr ) Log δ [ × 10

dB/km/R]

Fig.2.8 Dose rate dependence of δ (PSCF)

After 25 yr 1R/h

10R/h 10

R/h

Total dose [R]

Induce d lo ss [ dB /km at 1. 30 μ m]

Fig.2.9 Estimation of induced loss after

25year (PSCF)